呂勝強，王耀琦，王小鵬

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，蘭州 730070)

隨著對放射材料的深入研究，放射源被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等各種領(lǐng)域，若保管使用不當(dāng)，發(fā)生劑量泄露或放射源丟失事件，則會帶來災(zāi)難，發(fā)生危險[1].為了保證放射源的安全存儲與運輸，有必要利用通信技術(shù)和嵌入式等技術(shù)對處于不同領(lǐng)域和環(huán)境的放射源進(jìn)行監(jiān)控[2-3].文獻(xiàn)[4]開發(fā)了基于STM32的放射源遠(yuǎn)程監(jiān)控與跟蹤終端裝置，結(jié)合GPRS、GPS、劑量監(jiān)測和遠(yuǎn)程通信等技術(shù)實現(xiàn)對放射源的在線監(jiān)控；但沒有對采集的數(shù)據(jù)處理.文獻(xiàn)[5]開發(fā)了基于GPS的室外放射源信息監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合了GSM/GPRS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和劑量監(jiān)測技術(shù)等，并對位置、劑量和溫濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行了算法處理；但沒有涉及閾值報警.文獻(xiàn)[6]設(shè)計了放射源兩級定位系統(tǒng)，結(jié)合了STM32、GPS、GSM與WiFi等技術(shù)，具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳、室內(nèi)外定位以及異常報警等功能，一級定位中室外使用GPS定位，GPS信號弱的地方使用WiFi和GSM定位，二級定位時根據(jù)設(shè)備測得劑量轉(zhuǎn)換為設(shè)備與放射源之間的距離；但方案受限于室內(nèi)WiFi環(huán)境.文獻(xiàn)[7]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用Arduino和MQTT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)了監(jiān)測設(shè)備和交互界面.文獻(xiàn)[8]利用微控制器和GSM技術(shù)實現(xiàn)短信報警.

在分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以后，本文設(shè)計一種放射源實時在線監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)采用光電倍增管對放射源劑量進(jìn)行測量，設(shè)計劑量脈沖放大和濾波整形電路，并對分頻采集后的劑量脈沖滑動平均處理和線性擬合；北斗定位(BeiDou navigation satellite system,簡寫為BDS)模塊采集放射源位置信息，使用自適應(yīng)Kalman濾波算法處理位置數(shù)據(jù)；C/S架構(gòu)的上位機實時顯示數(shù)據(jù)并判斷是否超出閾值，實現(xiàn)對放射源泄露劑量和位置的實時監(jiān)控.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1為放射源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)，主要分為劑量與位置采集終端和上位機監(jiān)測兩部分.終端采集數(shù)據(jù)并處理，5G模塊將采集到的數(shù)據(jù)包發(fā)送到信息中心.信息處理中心承擔(dān)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯總和子網(wǎng)設(shè)備的終端控制、數(shù)據(jù)分析、存儲和展示等重要功能.接收到的數(shù)據(jù)通過解析處理，在數(shù)據(jù)庫存儲和前端顯示.用戶交互主要通過基于C/S架構(gòu)的客戶端，客戶端功能主要包括放射源狀態(tài)的實時監(jiān)控、設(shè)備運行歷史數(shù)據(jù)(劑量變化曲線、運輸軌跡)、設(shè)備和用戶的管理、系統(tǒng)配置(網(wǎng)絡(luò)配置、報警閾值)等.

圖1 放射源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示.硬件電路主要包括MCU、劑量采集、位置采集模塊、5G通信模塊，以及MCU外圍電路、電源等.

圖2 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)

1.1.1 劑量采集單元

放射源劑量采集部分選用光電倍增管[9]，由閃爍體、光電倍增管和電子儀器組成的閃爍計數(shù)器可用于探測射線[10].在工作時，高壓電源提供的1 000 V以上的高壓通過分壓電阻逐級分配給各個倍增級，放射源產(chǎn)生的放射性射線同閃爍體相互作用，使閃爍體的原子、分子電離或激發(fā)，被激發(fā)的原子和分子退激時發(fā)射光子，然后再利用反射物質(zhì)和光導(dǎo)把光子收集到光電倍增管的光陰極上；光導(dǎo)可以減少閃光在閃爍體射出面發(fā)生反射，使大部分光線能夠射出閃爍體，每一個射線射入閃爍體后，由于光電效應(yīng)，光電子在光電倍增管中倍增，形成一個脈沖電流；計數(shù)器產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過放大、整形電路之后通過I/O口送入單片機處理.閃爍計數(shù)器組成如圖3所示.

圖3 閃爍計數(shù)器組成示意圖

圖4為劑量脈沖信號采集處理電路，包括信號的放大和甄別[11-12].由于閃爍計數(shù)器輸出的電流信號幅值較小，使用兩個THS3001CD電流反饋放大器對前端輸出脈沖信號兩級放大，達(dá)到后續(xù)脈沖甄別電路能夠識別的程度.一級放大電路放大倍數(shù)與電阻R3和R4有關(guān)，二級放大電路與R11和R12有關(guān).經(jīng)放大電路后，背景噪聲也被放大，使用MAX913CPA比較器對脈沖進(jìn)行甄別.經(jīng)過甄別后的脈沖信號頻率過高，使用分頻器對信號進(jìn)行分頻處理，經(jīng)分頻處理后的脈沖信號送入單片機I/O口，單片機對脈沖處理生成劑量率.

圖4 放射源劑量采集處理電路

1.1.2 北斗定位模塊

放射源的位置信息采集選用ATGM336H-5N BDS/GNSS定位模塊[13]，該模塊定位精度高，有利于提高放射源位置精度.定位模塊與單片機連接如圖5所示，TXD輸出導(dǎo)航數(shù)據(jù)，RXD接收配置命令.系統(tǒng)上電初始化后，模塊默認(rèn)以1 Hz的頻率向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)包，單片機接收到的數(shù)據(jù)包按NMEA0183協(xié)議解析并濾波處理.

圖5 定位模塊和單片機連接原理

每個放射源都安裝有監(jiān)控終端，在存儲狀態(tài)下遭異常移動后，位置超過預(yù)警值，上位機異常報警并對放射源軌跡跟蹤；在運輸狀態(tài)下，可以實時顯示放射源位置和軌跡.

1.1.3 信號處理與中央控制模塊

MCU選用STM32單片機，主要負(fù)責(zé)各模塊控制與調(diào)度、劑量和位置數(shù)據(jù)濾波處理.由于劑量高速脈沖易受環(huán)境高頻噪聲影響，需要對脈沖滑動平均濾波處理，濾波后的脈沖數(shù)通過線性擬合可以得到脈沖數(shù)與放射性劑量的關(guān)系，生成劑量率.位置采集數(shù)據(jù)由于衛(wèi)星定位粗差帶來定位精度誤差，利用自適應(yīng)Kalman濾波分離出有用的信號.

1.1.4 通信模塊

系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸采用SIM8210C模塊，經(jīng)過采集模塊采集和單片機處理后的劑量和位置等其他信息，可以通過該模塊上傳到信息中心.具有的5G通信能力能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速收發(fā)，保證上位機顯示數(shù)據(jù)的實時性.

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包含終端設(shè)備入網(wǎng)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理，以及數(shù)據(jù)包封裝和發(fā)送.軟件流程圖如圖6所示.系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，包括數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊的初始化；然后通過5G通信模塊進(jìn)行SIM卡入網(wǎng)，入網(wǎng)成功之后進(jìn)行位置和劑量的采集；采集的位置數(shù)據(jù)是包含時間等信息的數(shù)據(jù)包，協(xié)議解析得到經(jīng)緯度信息，并進(jìn)行自適應(yīng)卡爾曼濾波處理；采集的脈沖劑量信號轉(zhuǎn)換生成劑量率.經(jīng)過處理之后的數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包，交由通信模塊發(fā)送給信息中心.

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理

2.1 劑量數(shù)據(jù)處理

劑量信號為閃爍計數(shù)器輸出的高速序列脈沖，高速脈沖容易受到環(huán)境高頻噪聲等的影響，通過對高速脈沖的計數(shù)可以獲取輻射值的大小.然而放射源發(fā)出的射線是隨機的，所以用閃爍計數(shù)器進(jìn)行測量時，單位時間內(nèi)的計數(shù)值會在一個平均值附近上下波動，即統(tǒng)計漲落問題.統(tǒng)計漲落影響著輻射值的測量精度，可以對輻射值進(jìn)行遞推平均濾波法處理.其方法為取連續(xù)采集的N條位置數(shù)據(jù)構(gòu)成一個隊列，長度固定為N，每次采集一條新數(shù)據(jù)放到隊首，并扔掉最先采集的隊尾的一條數(shù)據(jù)，然后對N條數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值.實驗表明：N值過大，會造成處理后數(shù)據(jù)滯后，且占用單片機資源；N值過小，處理效果不明顯，達(dá)不到濾波處理的目的.每7.5 s對閃爍計數(shù)器的脈沖計數(shù)，取1 min內(nèi)數(shù)據(jù)，即8個數(shù)據(jù)進(jìn)行一次平均計數(shù).設(shè)第i次采集的劑量信息為xi，用x(i)表示有效采集數(shù)據(jù)，即

x(i)=(xi+xi+1+…+xi+6+xi+7)/8,i=1,2,…,n.

(1)

同一放射源，在監(jiān)測儀器和放射源距離不同時，測得結(jié)果不同.在不同距離下，對安全范圍內(nèi)放射源的劑量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)劑量儀和閃爍計數(shù)器的檢測對比，得出放射性劑量與脈沖數(shù)之間的關(guān)系曲線.建立脈沖數(shù)和劑量值的標(biāo)定關(guān)系回歸模型，根據(jù)實際情況，采用線性回歸算法，得出放射源劑量和脈沖數(shù)之間的關(guān)系為

y=β0+β1x+e,

(2)

式中：β0是回歸常數(shù)；β1是回歸系數(shù)；x是回歸變量；e是隨機誤差.為了便于估計和假設(shè)實驗，假設(shè):

(3)

其中:E(e)表示隨機誤差的均值；D(e)表示隨機誤差的方差；σ表示標(biāo)準(zhǔn)差.由此得到脈沖和劑量的回歸模型為

y～N(β0+β1x,σ2).

(4)

圖7為放射源劑量和采集到的脈沖數(shù)之間的線性擬合曲線圖.

圖7 線性回歸曲線

2.2 位置數(shù)據(jù)自適應(yīng)Kalman濾波處理

運輸放射源的車輛在林蔭道、城市峽谷等復(fù)雜環(huán)境下，由于衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測粗差會引起定位精度的誤差，因此采用濾波算法對含有干擾的定位數(shù)據(jù)濾波處理.而在車輛運輸過程中，行駛路線可能會發(fā)生變化，自適應(yīng)Kalman濾波器可以對夾雜各種噪聲的信號分離出有用的信號[14-15]，能夠有效的抑制異常，是精密單點定位中常用的一種策略[16].

自適應(yīng)卡爾曼濾波與標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波在遞推上基本一致，不同點在于觀測模型中測量噪聲的方差采用等價方差進(jìn)行替換，表示為：

(5)

3 系統(tǒng)性能測試與分析

圖8為放置在外殼內(nèi)的硬件現(xiàn)場測試實物圖，包含天線和供電電源線.為了驗證系統(tǒng)對放射源位置和劑量信息監(jiān)測的有效性和準(zhǔn)確性，僅使用終端設(shè)備在蘭州交通大學(xué)校門前某主干道模擬運輸時位置信息，在實驗室測試存儲狀態(tài)下位置信息和劑量信息.測試道路長度約1 km.圖9為上位機監(jiān)控系統(tǒng)主界面部分截圖，應(yīng)用程序基于VS下的WinForm設(shè)計[15]，主界面數(shù)據(jù)模式下列表顯示放射源的具體信息，當(dāng)劑量和位置超過閾值時，報警并顯示異常.

圖8 硬件現(xiàn)場測試實物圖

圖9 放射源遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件主界面

測試所用放射源活度為1.665×105Bq，即4.5×10-5Ci的137Cs放射源，環(huán)境溫度為(30±1)℃，濕度為13%，計數(shù)時間為5 s，保持標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備和系統(tǒng)下位機距離放射源一樣，測量結(jié)果如表1所列.

表1中5組數(shù)據(jù)分別是在距離放射源不同距離下測得的多個劑量當(dāng)量率數(shù)據(jù)的平均值，結(jié)果表明：與標(biāo)準(zhǔn)測量儀測得結(jié)果相比，平均相對誤差為6.02%.

表1 放射源測量數(shù)據(jù)

為了測試系統(tǒng)定位功能，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，在測試路段，運輸車輛以相對穩(wěn)定速度前行，北斗定位模塊采樣間隔為1 s，處理器將采集到的經(jīng)緯度信息進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到本設(shè)計選取的平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；然后將平面坐標(biāo)進(jìn)行自適應(yīng)Kalman濾波，得到預(yù)測的位置信息.圖10為自適應(yīng)卡爾曼濾波后的效果.

圖10 自適應(yīng)Kalman濾波前后效果對比

由圖11可知，經(jīng)過Kalman濾波處理后，位置精度誤差由11 m變?yōu)? m，能夠有效抑制定位模塊測量值和放射源實際所處的位置值，得到更加準(zhǔn)確的放射源位置信息，提高系統(tǒng)的精確性和可靠性.通過在上位機監(jiān)測平臺下的地圖模式：由圖12(a)可以觀測到放射源存儲狀態(tài)下的位置信息，同時鼠標(biāo)懸浮下彈窗顯示相關(guān)信息；在運輸狀態(tài)下，還可以顯示車輛運輸軌跡(見圖12(b)).

圖11 濾波前后誤差對比

圖12 放射源監(jiān)控系統(tǒng)地圖模式界面

4 結(jié)論

針對放射源管理不完善導(dǎo)致劑量泄露和丟失的問題，設(shè)計了一種具有預(yù)警功能的放射源實時監(jiān)控系統(tǒng).本文所設(shè)計的系統(tǒng)集5G通信技術(shù)、BDS定位技術(shù)、嵌入式技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)于一體，實現(xiàn)了對放射源的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控；利用5G無線傳輸速率高、接入速度快的特點，較有線通信有更好的便捷性和移動性，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸；運用BDS技術(shù)實現(xiàn)對放射源的定位和軌跡跟蹤.對劑量脈沖滑動平均濾波和線性擬合，處理后與標(biāo)準(zhǔn)劑量相比，平均相對誤差為6.02%；為了消除傳感器誤差，對位置數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)Kalman濾波處理，濾波后定位誤差由11 m降低到了4 m；最后在蘭州某設(shè)計院和蘭州交通大學(xué)實驗室進(jìn)行系統(tǒng)性能測試.多次測試結(jié)果表明：自適應(yīng)Kalman濾波降低了數(shù)據(jù)誤差，提高了位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；上位機界面能夠?qū)Ψ派湓喘h(huán)境劑量和位置數(shù)據(jù)實時可視化顯示，超出閾值時發(fā)出預(yù)警信息.